Desain sirkuit terintegrasi fotonik

DesainfotonikSirkuit Terpadu

Sirkuit terintegrasi fotonik(PIC) sering dirancang dengan bantuan skrip matematika karena pentingnya panjang jalur dalam interferometer atau aplikasi lain yang sensitif terhadap panjang jalur.Fotodiproduksi dengan menyapu beberapa lapisan (biasanya 10 hingga 30) pada wafer, yang terdiri dari banyak bentuk poligonal, sering diwakili dalam format GDSII. Sebelum mengirim file ke pabrikan photomask, sangat diinginkan untuk dapat mensimulasikan PIC untuk memverifikasi kebenaran desain. Simulasi dibagi menjadi beberapa tingkatan: level terendah adalah simulasi elektromagnetik tiga dimensi (EM), di mana simulasi dilakukan pada level panjang-gelombang, meskipun interaksi antara atom dalam material ditangani pada skala makroskopik. Metode tipikal termasuk waktu-domain waktu terbatas tiga dimensi (3D FDTD) dan ekspansi eigenmode (EME). Metode -metode ini adalah yang paling akurat, tetapi tidak praktis untuk seluruh waktu simulasi PIC. Level selanjutnya adalah simulasi EM 2,5 dimensi, seperti propagasi berkas finite-difer (FD-BPM). Metode -metode ini jauh lebih cepat, tetapi mengorbankan akurasi dan hanya dapat menangani propagasi paraxial dan tidak dapat digunakan untuk mensimulasikan resonator, misalnya. Level berikutnya adalah simulasi EM 2D, seperti 2D FDTD dan 2D BPM. Ini juga lebih cepat, tetapi memiliki fungsionalitas terbatas, seperti mereka tidak dapat mensimulasikan rotator polarisasi. Level lebih lanjut adalah transmisi dan/atau simulasi matriks hamburan. Setiap komponen utama dikurangi menjadi komponen dengan input dan output, dan pandu gelombang yang terhubung dikurangi menjadi elemen pergeseran dan atenuasi fase. Simulasi ini sangat cepat. Sinyal output diperoleh dengan mengalikan matriks transmisi dengan sinyal input. Matriks hamburan (yang elemennya disebut S-Parameter) melipatgandakan sinyal input dan output di satu sisi untuk menemukan sinyal input dan output di sisi lain komponen. Pada dasarnya, matriks hamburan berisi refleksi di dalam elemen. Matriks hamburan biasanya dua kali lebih besar dari matriks transmisi di setiap dimensi. Singkatnya, dari 3D EM hingga simulasi matriks transmisi/hamburan, setiap lapisan simulasi menyajikan trade-off antara kecepatan dan akurasi, dan desainer memilih tingkat simulasi yang tepat untuk kebutuhan spesifik mereka untuk mengoptimalkan proses validasi desain.

Namun, mengandalkan simulasi elektromagnetik dari elemen -elemen tertentu dan menggunakan matriks hamburan/transfer untuk mensimulasikan seluruh pic tidak menjamin desain yang benar -benar benar di depan pelat aliran. Misalnya, panjang jalur yang salah perhitungan, pandu gelombang multimode yang gagal menekan mode orde tinggi secara efektif, atau dua pandu gelombang yang terlalu dekat satu sama lain yang mengarah ke masalah kopling yang tidak terduga cenderung tidak terdeteksi selama simulasi. Oleh karena itu, meskipun alat simulasi canggih memberikan kemampuan validasi desain yang kuat, masih membutuhkan tingkat kewaspadaan yang tinggi dan inspeksi yang cermat oleh perancang, dikombinasikan dengan pengalaman praktis dan pengetahuan teknis, untuk memastikan keakuratan dan keandalan desain dan mengurangi risiko lembar aliran.

Teknik yang disebut SPARSE FDTD memungkinkan simulasi FDTD 3D dan 2D dilakukan secara langsung pada desain PIC lengkap untuk memvalidasi desain. Meskipun sulit bagi alat simulasi elektromagnetik apa pun untuk mensimulasikan pic skala yang sangat besar, FDTD yang jarang dapat mensimulasikan area lokal yang cukup besar. Dalam FDTD 3D tradisional, simulasi dimulai dengan menginisialisasi enam komponen medan elektromagnetik dalam volume kuantisasi tertentu. Seiring berjalannya waktu, komponen bidang baru dalam volume dihitung, dan seterusnya. Setiap langkah membutuhkan banyak perhitungan, jadi butuh waktu lama. Dalam 3D FDTD yang jarang, alih -alih menghitung pada setiap langkah pada setiap titik volume, daftar komponen lapangan dipertahankan yang secara teoritis dapat sesuai dengan volume besar yang sewenang -wenang dan dihitung hanya untuk komponen -komponen tersebut. Pada setiap langkah waktu, titik yang berdekatan dengan komponen lapangan ditambahkan, sedangkan komponen lapangan di bawah ambang daya tertentu dijatuhkan. Untuk beberapa struktur, perhitungan ini dapat berupa beberapa urutan besarnya lebih cepat dari fdtd 3D tradisional. Namun, FDTD yang jarang tidak berkinerja baik ketika berhadapan dengan struktur dispersif karena bidang ini terlalu banyak menyebar, menghasilkan daftar yang terlalu panjang dan sulit dikelola. Gambar 1 menunjukkan contoh tangkapan layar simulasi FDTD 3D yang mirip dengan splitter balok polarisasi (PBS).

Gambar 1: Hasil simulasi dari 3D jarang FDTD. (A) adalah tampilan teratas dari struktur yang disimulasikan, yang merupakan coupler terarah. (B) menunjukkan tangkapan layar simulasi menggunakan eksitasi kuasi-te. Dua diagram di atas menunjukkan tampilan teratas dari sinyal kuasi-te dan kuasi-TM, dan dua diagram di bawah ini menunjukkan tampilan cross-sectional yang sesuai. (C) menunjukkan tangkapan layar simulasi menggunakan eksitasi kuasi-TM.